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3. Aparato Experimental

Para obter os dados de desenvolvimento do grupo gerador no modo bi

combustível, foi necessário fazer uma montagem de diversos sistemas de controle.

Foram empregados medidores de vazão, pressão, temperatura, emissões, testador de

carga e um sistema de compressão de gás natural. Todas as experiências foram

realizadas no Laboratório de Engenharia Veicular (LEV) da PUC-RIO. Abaixo é

mostrado um esquema simples da montagem do aparato experimental utilizado para a

medição das grandezas de interesse.

Figura 2: Esquema da instalação e montagem dos equipamentos de ensaio

33

3.1. Grupo Gerador

Foi testado um grupo gerador de quatro tempos Perkins 1006 TAG modelo P135

com aspiração turbo e pós-arrefecido, empregado para geração de potencia até 135

KVA.

Na Figura 3 é apresentado fotografias do grupo gerador, seguida dos dados

técnicos do Perkins 1006 TAG.

Figura 3: Grupo gerador Perkins 1006 TAG modelo P135

Tabela 4: Dados Técnicos do Grupo gerador (FGWilson, 2004).

Dados técnicos do grupo gerador

Fabricante – Modelo Perkins 1006 TAG – P135

Alimentação Turbo / pós-arrefecido

Ciclo de Funcionamento Quatro tempos

Número de Cilindros 6

Diâmetro x Curso 100 x 127

Disposição Em linha

Cilindrada Total 5,985 litros

Cilindrada Unitária 0,997 litros

Taxa de Compressão 17:1

Potência Elétrica 120 KW

Potência Neta 134 KW

Peso Seco 1403 Kg

Tipo de Injeção Governador Eletrônico

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3.2. Governador Eletrônico

Se empregou um Governador eletrônico para regular o curso da bomba de injeção

de alta pressão, de marca WOODWARD modelo EPG512 que conta com 3 elementos

básicos um pick up que é o sensor de RPM , um regulador eletrônico e um atuador.

Figura 4: Governador eletrônico da Bomba de alta Pressão de combustível.

3.3. Medição de Carga Elétrica

Para a medição da carga elétrica utilizou-se, em conjunto, a medição de

amperagem e voltagem. O amperímetro empregado foi de marca ICEL modelo AD-

8000, o voltímetro de marca OMEGAETTE modelo HHM93.

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Figura 5: Voltímetro e Amperímetro

3.4. Medição do Consumo de Diesel

O consumo de Diesel foi determinado por um medidor de vazão que emprega o

efeito coriolis fabricado pela MICROMOTION. É composto por duas partes, o sensor

modelo CMF010 e o transmissor modelo 1700/2700, com uma capacidade de medição

de 0 até 100 Kg/h, com uma incerteza de ±0,1%.

Figura 6: Medidor de vazão de Óleo Diesel.

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3.5. Controlador Eletrônico de Vazão Ar

Na regulagem da vazão mássica de ar na admissão usou-se uma borboleta

eletrônica normalmente fechada fabricada pela BOSCH, utilizada em motores de ciclo

Otto. O dispositivo é controlado por um circuito eletrônico, feito no LEV, que permite

regular a vazão mássica variando o ângulo da abertura da borboleta.

Foi também acoplado um controle eletrônico para aumentar ou diminuir o ângulo

de abertura da borboleta, motivo pelo qual se consegue diminuir a vazão de ar

subministrada ao motor.

Figura 7: Borboleta eletrônica para o controle de ar de admissão

3.6. Medição de Consumo de Ar

Para a medição de ar utilizou-se um aparato como entrada de um tambor-pulmão

amortecedor de aproximadamente 400 litros de volume já existente no LEV. Com o

principio de queda de pressão é possível medir a vazão de ar na entrada do coletor de

admissão, e empregado dois bocais padrão (Bean, 1971) de 40 mm de diâmetro,

construídos segundo os requisitos da norma ASME.

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Figura 8: Tambor para a medição de vazão de ar na entrada do coletor de

admissão

3.7. Controlador Eletrônico de Vazão de Gás

Para o controle de vazão de gás natural utilizou-se um controlador eletrônico, um

rail de 4 injetores, fabricado pela LANDI RENZO, modelo GI-25-65, utilizado na

conversão dos motores Otto, que usam a tecnologia flex, para Gás natural; eles estão

desenhados para atingir capacidades entre 15 e 28 KW/cilindro, com uma pressão

máxima de 3 bar. É controlado por um sistema eletrônico feito no LEV.

Para a variação da vazão de gás, promoveram-se alternações no duty cycle

(relação entre o tempo de abertura e fechado para um período); o período do bico é o

inverso da freqüência de operação do sistema eletrônico, neste caso de 50 Hz, para um

tempo de resposta de (1,7 ±0,2) ms, para abrir ou fechar cada um dos bicos.

Para efeito da medição e controle de vazão de gás natural, foram utilizados

métodos eletrônicos, que variavam o duty cycle, trabalhando em uma faixa de 10 a 80%

de duty cycle, sendo 100% a abertura total do bico injetor. Com isso foi possível atingir

todas as necessidades de vazão de gás natural nos diferentes regimes de trabalho.

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Figura 9: Amperagem subministrada, em função do tempo (peak and hold), para a

abertura e permanência de abertura do bico injetor

Figura 10: Bico injetor

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Figura 11: Placa eletrônica de controle

3.8 Medições de Consumo de Gás

Para a medição de vazão de gás natural utilizou-se um modelo de tambor de

escala mediana e um jogo de bocais padrão (Bean, 1971) construídos seguindo os

requisitos da norma ASME de diferentes diâmetros (5 mm e 10 mm) utilizando-se de

modo adequado em função do nível de vazão de gás natural empregado, com a

finalidade de diminuir as incertezas.

O Gás natural fornecido pela CEG (Companhia Estadual de Gás), é enviado com

uma pressão de aproximadamente 1 bar, sendo esta insuficiente para atingir a vazão

necessária para o uso bicombustível no grupo gerador. Para isso, foi necessário usar um

sistema de compressão de gás natural, que será explicado mais adiante.

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Figura 12: Tambor de medição de gás natural.

3.9. Medição de Pressões e Temperaturas

Para as medições de pressões foram empregados transdutores de pressão de saídas

analógicas de 4-20 mA da OMEGADYNE com uma incerteza de ±0,50%. Para as

medições de temperatura foram utilizados Termopares do tipo K (NiCr-NiAl), da marca

OMEGA podendo ser utilizados na faixa de 0 até 750°C, com uma incerteza de

±(0,75%).

Seguidamente serão apresentados as especificações dos transdutores de pressão e

os pontos de medição de temperaturas.

• Temperatura na entrada do tambor de ar.

• Temperatura na entrada do tambor de gás natural.

• Temperatura na saída do compressor.

• Temperatura de água na saída e na entrada do intercooler.

• Temperatura de entrada no coletor de admissão.

• Temperatura no escapamento.

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Tabela 5: Dados técnicos dos transdutores de pressão (OMEGADYNE, 2009).

Tipo de

Transdutor

Modelo Faixa de

Operação

Medição

Diferencial FPW-1-WA-2p-

5a-6q 0-10 inH2O

Pressão diferencial

no tambor de ar

Diferencial FPW-1-WA-2p-

5a-6q 0-10 inH2O

Pressão diferencial

no tambor de gás

Absoluto PX209-060AI 0-60 psia

Pressão de entrada

do gás natural

Absoluto

PX209-060AI 0-60 psia

Pressão na

descarga do

compressor

Absoluto

PX209-100AI 0-100 psia

Pressão de saída do

sistema de

compressão de gás

natural

Absoluto PX209-060AI 0-60 psia

Pressão de entrada

no tambor de ar

Figura 13: Arranjo dos transdutores de pressão e tomadas de temperatura; no lado

direito a tomada dos sensores para a leitura de dados

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3.10. Software de Controle

O software empregado foi o programa labVIEW (Laboratory Virtual Instrument

Engineering Workbench) instalado em um computador do LEV, onde foi programado

pela equipe de engenheiros eletrônicos do laboratório.

Utilizou-se um sistema da NACIONAL INSTRUMENT composto por:

• Um sistema de aquisição de dados modelo SCX11000DC tipo chassis,

que é utilizado diretamente para a leitura de pressões e temperaturas.

• Uma tarjeta de geração tipo PWM para o controle de duty cycle dos bicos injetores de gás natural.

• Um transdutor de sinal tipo PCI 6052E multifuction acoplado no chassi do

CPU do computador.

Na tela do computador é possível visualizar um arranjo das medidas de grandeza

desejadas em tempo real com a possibilidade de gravar as medições no intervalo de um

segundo. O arranjo de grandezas é composto por três partes, as variáveis de entrada,

variáveis de saída e o sistema de controle do duty cycle em tempo real.

Figura 14: Software e Sistema de aquisição de dados

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3.11. Medição de Emissões

O LEV conta com um sistema portátil da marca TESTO, modelo 350XL, que

torna possível a análise das concentrações de emissões de CO, HC e NO2 nos gases de

escapamento. O sistema é composto por uma caixa analisadora dos gases de escape,

unidade de controle, sonda de escape e cabos de conexão de data e energia. Além disso,

a caixa analisadora conta com uma bomba para transporte de amostra dos gases de

escape, uma unidade condensadora, uma bomba de purga de condensados, filtros de

células de medição de gás (O2, CO, NO, NO2, SO2 e HC), e a eletrônica de avaliação e

armazenamento.

A sonda foi instalada na saída dos gases de exaustão, onde uma bomba de

transporte leva a amostragem dos gases, depois a amostra de gás é levada até uma

unidade de condensação, onde o gás é resfriado rapidamente, originando uma

precipitação de condensado com absorção baixa de SO2 e NO2. A seguir, os

condensados são transportados por uma bomba peristáltica, em intervalos regulares, até

um tanque de condensados, que está ilustrado na parte inferior do texto. Em seguida, o

gás seco passa através do filtro de partículas e então é liberado de MP. Bombeado até

os sensores de medição de gás, uma pequena porção é levada aos diafragmas dos

sensores, dos quais emitem um sinal para o controle do texto. Finalmente, a quantidade

não utilizada é jogada para a atmosfera através de um orifício na caixa analisadora.

Figura 15: Equipamento de medição de gases de escapamento

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3.12. Dissipador de Carga Elétrica

Para a dissipação de carga elétrica, foi utilizado um sistema que conta com

condutores de cobre ligados às três fases do grupo gerador, uma resistência elétrica de

cobre em forma de pás, um tanque de amianto de 100 litros de capacidade e uma talha

de 2 toneladas de capacidade. A resistência foi suspensa pela talha e submergida na

caixa d’água cheia de salmoura. Conectado pelos condutores de cobre ás três fases do

grupo gerador, a medida que se aumentava a área molhada da resistência aumentava

também a carga dissipada, até chegar à temperatura de ebulição da água. Quando isso

acontecia, era necessário repor a água evaporada com água doce.

Figura 16: Arranjo do dissipador de carga

3.13. Sistema de Compressão de Gás Natural

Foi necessário empregar um sistema de compressão de gás natural, que conta com

três unidades de condensação (compressor, filtro, condensador e caixa preta), adaptadas

ao sistema, com a finalidade de comprimir o gás natural para seu posterior

armazenamento. Os compressores foram fabricados pela TECUMSEH modelo

AK5510ES para R22 de 1 HP de potência, trabalhando em paralelo. Conta-se também

com dois tanques de armazenamento de GLP ou GN de 452 litros, cada um fabricados

seguindo a norma NBR 8460 com uma pressão máxima de trabalho de 1.7 MPa.

A máxima pressão de armazenamento nos tanques foi de 15 bar, e na saída tinha-

se um regulador de pressão manual marca GASCAT modelo IR-A que foi regulado em

2,5 bar. Também foram utilizadas duas válvulas solenóides, normalmente fechadas, para

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a proteção dos compressores no momento em que estes se desligavam quando se atingia

a pressão máxima de armazenamento. Além disso, tinham-se dois manômetros para a

medição da pressão de armazenamento e de saída.

Figura 17: Sistema de compressão do gás natural